TWI569771B - 具細胞親和力與電容耦合性之立體電極 及包含其之生物探針 - Google Patents

具細胞親和力與電容耦合性之立體電極 及包含其之生物探針 Download PDF

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Description

具細胞親和力與電容耦合性之立體電極及包含其之生物探針
本發明有關於一種立體電極及包含其之生物探針，特別係有關於一種具有細胞親和力與電容耦合性之立體電極及包含其之生物探針。
隨著科技的進步，生醫檢測產業所觸及的領域、檢測項目以及精確度需求越來越提升，其中，許多與神經相關的疾病，例如，失智症、巴金森氏症、睡眠疾病、癲癇等的檢查及治療方法研發更需要專業要求度高且特定的檢測儀器才得以進行。一般來說，神經網路的活動主要係藉由電訊號的傳遞而完成，因此，藉由偵測神經系統電訊號在神經網路傳遞的原則與機制、以及對於外來因素的調節等，可對於神經生理及相關疾病有更進一步的瞭解。
其中，腦內的神經細胞的活動通常係利用電訊號的傳遞而得以運作，因此在神經生理檢測的相關領域中，常利用神經探針對神經細胞進行刺激或量測，進而了解神經的生理運作。然而，目前所發展的多種傳統微電極探針可能具有尺寸過大易傷害細胞、高阻抗、細胞親和力不足等問題，因而無法長期且可靠地偵測神經細胞的活動。
綜合上述，開發具有細胞親和力、低阻抗及高電容耦合性之電極探針是目前極需努力的目標。
本發明之目的為提供一種具有細胞親和力與電容耦合性之立體電極及包含其之生物探針，其可有利於神經細胞或心電圖的量測準確度以避免結果失真，並且，此具有奈米碳管之立體電極與細胞之接觸面積較大，可提供更佳的細胞親和力，係可有效地應用於神經細胞電訊號或心臟訊號的量測，以提供相關生醫檢測產業更佳的神經探針選擇。
根據本發明之一實施例，一種具細胞親和力與電容耦合性之立體電極包含相互連接之柱狀部及球狀部，其中球狀部之半徑大於柱狀部之半徑，且球狀部上覆蓋有奈米碳管，其中柱狀部及球狀部之材料為金屬材料。
根據本發明之另一實施例，一種生物探針，其包含：基座；輸出接點，設置於基座上；立體電極陣列，設置於基座上，立體電極陣列係由如上述具細胞親和力與電容耦合性之立體電極所組成；以及內連線導電層，其設置於基座上並且電性連接輸出接點及立體電極陣列。
以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明將藉由下述之較佳實施例及其配合之圖式，做進一步之詳細說明。需注意的是，以下各實施例所揭示之實驗數據，係為便於解釋本案技術特徵，並非用以限制其可實施之態樣。
請參閱圖1，根據本發明實施例之具細胞親和力與電容耦合性的立體電極10包含相互連接之球狀部11及柱狀部12。立體電極10之端部為球狀部11，並且球狀部11之半徑大於柱狀部12之半徑，可以有效提升電極端部表面積，進而增加電容值及降低阻抗值。
球狀部11及柱狀部12的材料可選自由金、白金及鈦等金屬材料所組成之群組之其中之一，較佳地，球狀部11及柱狀部12的材料可為金。其中，球狀部11之半徑d1大於柱狀部12之半徑d2，而球狀部11之半徑範圍可約為0.1 mm ~100 mm，較佳地，球狀部11之半徑範圍可約為0.1 mm ~10 mm；而柱狀部之高度範圍可約為0.1 mm ~100 mm，較佳地，柱狀部之高度範圍可約為0.1 mm ~10 mm。柱狀部之高度可為大於、等於或小於球狀部11之直徑。
球狀部11上形成奈米碳管13，奈米碳管13可包含單壁奈米碳管或多壁奈米碳管。於此，奈米碳管13可藉由包含化學氣相沉積法、轉印法、或旋轉塗佈法等方法形成於立體電極10之球狀部11上。奈米碳管13可經由表面修飾處理而活化，於此，奈米碳管13可經紫外線臭氧處理以降低阻抗值及提升電容值。需注意的是，奈米碳管13之表面可進行親水性處理，例如使奈米碳管13之表面具有羥基、羧基或胺基修飾。
本發明實施例之立體電極10上覆蓋有催化層20，且奈米碳管13係形成於催化層20上，催化層20之材料可選自由鐵、鈷及鎳所組成之群組的其中之一，較佳地，催化層20之材料可為鎳。在一實施例中，柱狀部12可包含絕緣層30設置於其表面，亦即，如圖1所示，絕緣層30可完全地覆蓋柱狀部12的全部表面。而在本發明之另一實施例中，如圖2所示，絕緣層301可部分地覆蓋柱狀部12之表面，也就是說，部分柱狀部12係暴露於絕緣層301之外，於此，催化層20可形成於柱狀部12之部分表面上，而奈米碳管13可形成於柱狀部12之部分表面上。本發明實施例之立體電極10可更包含導電層40於該絕緣層之下。
本發明之立體電極具有良好阻抗及電容性質，其中立體電極之阻抗小於10 W/mm2 ，更佳者為小於5 W/mm2 ；最佳者為小於2 W/mm2 ；立體電極之電容大於10 mF/cm2 ，更佳者為大於20 mF/cm2 ，最佳者為大於70 mF/cm2 。
根據本發明之另一實施例，生物探針100包含基座101，其可為矽基材或軟性基材，例如亞醯胺(polyamide, PI)、聚對二甲苯(parylene)或聚二甲基氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)，但不以上述材料為限制；輸出接點102，其係設置於基座101上；立體電極陣列103，設置於基座101上，其係由上述實施例中之立體電極10所組成；以及內連線導電層104，設置於基座101上且用以電性聯接輸出接點102與立體電極陣列103。
根據本發明之再一實施例，本發明之立體電極的製備方法將於下文中參閱圖4A至圖4F而詳細描述。首先，於矽晶片401上沉積氧化矽層402，例如，可使用電漿化學氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition)進行沉積，再於氧化矽層402上旋轉塗佈上光阻層403，如圖4A所示。接著，藉由電子束物理氣相沉積法(electron beam physical vapor deposition)形成導電金屬層404於光阻層403上，其中導電金屬層404以光微影(photolithography)製程定義內連線導電層4041及輸出接點4042，如圖4B所示。而後，再依序塗佈氧化矽層405及光阻層406於上述導電金屬層404上，如圖4C所示。接著，進行第二次的光微影製程並將氧化矽層405蝕刻以產生用於製備立體電極的開口H1、H2，如圖4D所示。
參閱圖4E，藉由電鍍的方式於開口H1中形成金立體電極110，在一較佳的實施例中，金立體電極110上可電鍍有催化層，催化層之材料可選自由鐵、鈷及鎳所組成之群組的其中之一，較佳地，催化層之材料可為鎳。最後，如圖4F所示，可於金立體電極110上形成奈米碳管，其可藉由化學氣相沉積法、轉印法、或旋轉塗佈法等方法形成。本發明之立體電極可藉由上述步驟而製備。
接著，為檢測本發明之立體電極之阻抗值及電容耦合性，將以下列三組立體電極結構進行試驗：(1) 金立體電極；(2) 塗佈奈米碳管之金立體電極(CNT-金立體電極)；(3) 塗佈奈米碳管之金立體電極，接著將奈米碳管進行紫外線臭氧處理(UVo-CNT-金立體電極)，亦即，本發明實施例之立體電極。其中，第(1)組及第(2)組的電極的主要結構大致上與第(3)組相同，差別在於第(1)組的電極未塗佈奈米碳管，而第(2)組的電極雖塗佈奈米碳管，但未進行紫外線臭氧處理，檢測結果如圖5所示。
參閱圖5，可發現經過塗佈奈米碳管且將其進行紫外線臭氧處理的金立體電極相較於其他兩組具有明顯較低的阻抗值，將結果量化為數字，可如以下表一所示： 表一
由以上表一可得知，相較於無處理的金立體電極，覆蓋奈米碳管可更加提升電極表面與待測細胞的接觸面積，因此可降低阻抗值並提升電容值以改善電容耦合，並且可具有較佳的細胞親和力。然而，將金立體電極上之奈米碳管再進行紫外線臭氧處理之後，相較於其他兩個組別可達到更低阻抗(1.2 W/mm2 )以及獲得更高的電容值(73.3 mF/cm2 )。
在一例示性實施例中，本發明之具有細胞親和力與電容耦合性之立體電極的探針亦可用於心臟訊號的偵測。在本實施例中，分別使用本發明上述之生物探針以及不繡鋼電極的探針針對斑馬魚心臟紀錄以獲得心電圖，如圖6所示。在圖6的(a)部分為使用本發明上述之生物探針偵測斑馬魚心臟之心電圖，圖6的(b)部分為使用不繡鋼電極的探針偵測斑馬魚心臟之心電圖。可發現使用本發明上述生物探針所偵測到之心電圖可紀錄到更完整的T波走勢。一般來說，心電圖中的T波是反應心室電激動恢復期的電壓改變，也就是偵測心室再極化的觀測標的，因此若能擷取更詳細的波動訊息，必能提供檢測者更正確的判斷依據，以使量測結果不失真。上述結果進行量化後，係如表二所示。 表二
根據表二可得知，藉由本發明上述之生物探針確實可應用於心電圖感測，且較一般傳統不鏽鋼探針可獲得更詳細的心臟電波訊號。
綜合上述，本發明之具細胞親和力與電容耦合性之立體電極因其上覆蓋有經過紫外線臭氧處理的奈米碳管，與細胞之間的接觸面積較大因此具有較好的細胞親和力，並且具有較低的阻抗值及較高的電容耦合力，相較於一般的立體電極可提供長期且可靠的訊息偵測。再者，包含上述立體電極之生物探針除了用於一般的神經細胞電訊號感測之外，更可有效地應用於心電圖的偵測，提供更準確且避免失真的電波訊號，可為生醫檢測產業提供更多樣的選擇性。
以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
10、110‧‧‧立體電極
11‧‧‧球狀部
12‧‧‧柱狀部
13‧‧‧奈米碳管
20‧‧‧催化層
30、301‧‧‧絕緣層
40‧‧‧導電層
100‧‧‧生物探針
101‧‧‧基座
102、4042‧‧‧輸出接點
103‧‧‧立體電極陣列
104、4041‧‧‧內連線導電層
401‧‧‧矽晶片
402、405‧‧‧氧化矽層
403、406‧‧‧光阻層
404‧‧‧導電金屬層
d1、d2‧‧‧半徑
H1、H2‧‧‧開口
圖1為根據本發明實施例之立體電極的剖面圖。 圖2為根據本發明另一實施例之立體電極的剖面圖。 圖3為根據本發明實施例之生物探針之示意圖。 圖4A至圖4F為根據本發明實施例之立體電極的製備方法示意圖。 圖5為各個金立體電極的阻抗值檢測結果。 圖6之(a)部分為使用本發明實施例之生物探針所偵測的心電圖結果，而圖6之(b)部分為使用不鏽鋼生物探針所偵測的心電圖結果。
10‧‧‧立體電極
11‧‧‧球狀部
12‧‧‧柱狀部
13‧‧‧奈米碳管
20‧‧‧催化層
30‧‧‧絕緣層
40‧‧‧導電層
d1、d2‧‧‧半徑

Claims (14)

  1. 一種具細胞親和力與電容耦合性之立體電極，包含相互連接之一柱狀部及一球狀部，該球狀部之半徑大於該柱狀部之半徑，該球狀部上覆蓋有奈米碳管，其中該柱狀部及該球狀部之材料為金屬材料；其中，該立體電極的電容值大於10mF/cm2。
  2. 如請求項1之具細胞親和力與電容耦合性之立體電極，其中該柱狀部及該球狀部之材料為金、白金或鈦。
  3. 如請求項1之具細胞親和力與電容耦合性之立體電極，其中該柱狀部及該球狀部之材料為金。
  4. 如請求項1之具細胞親和力與電容耦合性之立體電極，其中該球狀部之半徑範圍約為0.1μm~100μm。
  5. 如請求項1之具細胞親和力與電容耦合性之立體電極，其中該柱狀部之高度範圍約為0.1μm~100μm。
  6. 如請求項1之具細胞親和力與電容耦合性之立體電極，其中該立體電極上覆蓋有一催化層，該奈米碳管係形成於該催化層之上，該催化層之材料為鐵、鈷或鎳。
  7. 如請求項1之具細胞親和力與電容耦合性之立體電極，其中該立體電極的阻抗小於10Ω/mm2。
  8. 如請求項1之具細胞親和力與電容耦合性之立體電極，其中該柱狀部更包含一絕緣層設置以完全地覆蓋該柱狀部的表面。
  9. 如請求項1之具細胞親和力與電容耦合性之立體電極，其中該柱狀部更包含一絕緣層設置以部分地覆蓋該柱狀部的表面。
  10. 如請求項9之具細胞親和力與電容耦合性之立體電極，其中該柱狀部具有該奈米碳管形成於未被該絕緣層覆蓋之表面。
  11. 如請求項1之具細胞親和力與電容耦合性之立體電極，其中該奈米碳管之表面為經表面修飾處理。
  12. 如請求項1之具細胞親和力與電容耦合性之立體電極，其中該奈米碳管之表面係以羥基、羧基或胺基修飾。
  13. 如請求項1之具細胞親和力與電容耦合性之立體電極，其中該奈米碳管包含單壁奈米碳管或多壁奈米碳管。
  14. 一種生物探針，其包含：一基座；一輸出接點，設置於該基座上；一立體電極陣列，設置於該基座上，該立體電極陣列係由如請求項1至13之任一之具細胞親和力與電容耦合性之立體電極所組成；以及一內連線導電層，其設置於該基座上並且電性連接該輸出接點及該立體電極陣列。
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